厌氧反应器在处理有机废水方面的研究2001160ebe23482fb5da4c2b

厌氧反应器在处理有机废水方面的研究厌氧生物处理技术是在厌氧条件下，兼性厌氧和厌氧微生物群体将有机物转化为甲烷和二氧化碳的过程，又称为厌氧消化。它在废水处理尤其是高浓度有机废水处理中发挥了独特的作用，为消除有机污染和保护环境开辟了一条高效低耗的新途径。一、厌氧生物处理的优点(1)厌氧生物处理可节省动力消耗(2)厌氧生物处理可产生生物能(3)厌氧生物处理的污泥产量少(4)对氮和磷的需要量低(5)厌氧消化对某些难降解有机物有较好的降解能力二、厌氧反应器的发展概况1、第一代厌氧反应器第一代厌氧反应器,化粪池和隐化池(双层沉淀池)主要用于处理生活污水下沉的污泥,传统消化池与高速消化池用于处理城市污水厂初沉池和二沉池排出的污泥。其特点是污泥龄(SRT)等于水力停留时间(HRT)。为了使污泥中的有机物达到厌氧消化稳定,必须维持较长的污泥龄,即较长的水力停留时间，所以反应器的容积很大且处理效能较低。2、第二代厌氧反应器高速率厌氧处理系统必须满足的原则是:一是能够保持大量的厌氧活性污泥和足够长的污泥龄;二是保持废水和污泥之间的充分接触。在20世纪70年代未期成功地开发了以提高厌氧微生物浓度和停留时间,强化传质作用,缩短液体停留时间为基础的一系列高速厌氧反应器。主要有厌氧滤器、厌氧流化床反应器、上流式厌氧污泥床反应器等。（1）厌氧滤器AF常温下对中等浓度有机废水进行厌氧处理，采用生物固定化技术延长SRT,把SRT和HRT分别对待。其结构和原理类似于好氧生物滤床,厌氧菌在填充材料上附着生长形成生物膜。厌氧滤器一般采用上流式,在负荷较低时,能够取得良好的处理效果,但易发生堵塞。（2）厌氧流化床AFBAFB依靠在惰性填料微粒表面形成的生物膜来保留厌氧污泥。填料在较高的上升流速下处于流化状态,克服了AF中易发生的堵塞,且能使厌氧污泥与废水充分混合,提高了处理效率。但AFB内部稳定的流化态难以保证,且反应器需大量回流水来取得高的上升流速。其次,一些较新的研究认为还需设单独的预酸化装置。其工艺控制较难,投资和运行成本高，不少研究者认为它在今后应用的前景不大。（3）上流式厌氧污泥床UASBUASB反应器基本构造主要包括:污泥床、污泥悬浮层、布水和三相分离器。反应器在运行过程中,废水通过进水配水系统以一定的流速自反应器的底部进入反应器,由布水器均匀布水,水流依次流经污泥床、污泥悬浮层至三相分离器。UASB反应器中的水流呈推流式,进水与污泥床及污泥悬浮层中的微生物充分混合接触并进行厌氧分解,厌氧分解过程中产生的沼气在上升过程中将污泥颗粒托起,由于大量气泡的产生,引起污泥床的膨胀。反应器中沉淀性能较差的絮体状污泥则在气体的搅拌作用下,在反应器上部形成污泥悬浮层;沉淀性能良好的颗粒污泥则处于反应器的下部形成高浓度的污泥床。随着水流的上升流动,气、水、固三相混合液升至三相分离器中分离。UASB的优点之一是反应器内的水流方向与产气上升方向相一致,一方面减少了堵塞的机率,另一方面则加强了对污泥床的搅拌混合作用而利于微生物与进水基质间的混合接触及颗粒污泥的形成。但UASB反应器的应用,仍有需要改进的方面。如较难实现均匀布水、易产生沟流和死角;三相分离器工作状态和条件难以实现稳定操作;上升流速较小;负荷较高时,易产生污泥流失;低温和低浓度条件下,由于废水和污泥难以充分混合接触,导致处理效能过低等。3、第三代厌氧反应器主要有厌氧颗粒污泥膨胀床、厌氧内循环反应器、厌氧折板式反应器等，目前尚处于开发阶段,生产实践中应用较少。（1）厌氧颗粒污泥膨胀床EGSBEGSB反应器实际上是改进的UASB反应器,不同之处是EGSB采用更大的高径比和增加了出水回流。因此EGSB反应器中的颗粒污泥床处于部分或全部膨化状态,再加上产气的搅拌作用,使进水与颗粒污泥充分接触,传质效果更好,可处理较低浓度的有机废水。同时,EGSB反应器采用较大的出水循环比对原水中毒性物质有一定的稀释作用,有利于其处理含毒性和难降解物质的废水。（2）厌氧内循环反应器IC该反应器在结构上如同两个UASB反应器上下重叠串联。在底部高负荷区,通过三相分离器实现出水内循环;上部为低负荷区,废水在这里得到进一步处理。IC反应器具有较大的高径比,通过内循环,反应器在高的上升流速下运行，因此可以在较短的水力停留时间下处理低浓度废水。同时,IC反应器具有基建投资省,占地面积小的优点,其容积仅为UASB反应器的1/4~1/3,且内循环是在沼气的提升作用下实现的,不需外加动力。（3）厌氧折板式反应器ABR反应器内垂直于水流方向设置导流板,将反应器分隔为串联的几个反应室,每个反应室都是一个相对独立的上流式污泥床系统,其中污泥以颗粒形式或絮状形式存在。废水由导流板引导上下折流前进,依次通过每个格室的污泥床直至出口,此过程中废水中的有机物与厌氧污泥反复接触而得到去除。ABR反应器具有以下优点:结构简单,无特殊的气、固分离系统;在各格室中的微生物拥有最佳的工作活性;耐冲击负荷,对毒性物质有更好的缓冲适应能力;拥有更优的出水水质。可以看出,随着厌氧反应器的发展,其处理效率不断提高,适用范围也由原来的污泥、粪肥消化扩展到对各种浓度的生活污水和工业废水的处理,打破了过去认为厌氧处理工艺处理能效低、需要较高温度、较高废水浓度和较长停留时间的传统观念。而如何有效保持反应器中性能优良的厌氧污泥,使污泥与进水充分接触,最大限度的利用微生物的处理能力,始终是厌氧反应器发展的主导方向。三、厌氧消化基本原理有机废水厌氧生物处理是有机物在厌氧微生物的作用下转化为甲烷、二氧化碳的过程。厌氧生物处理是包括多种不同类型的微生物所完成的代谢过程,是一个相互影响、相互制约、同时进行的极其复杂的生物化学过程。有机物的厌氧消化过程可以描述为“三阶段四菌群”生物化学过程。1、三阶段理论（1）水解发酵阶段在该阶段,复杂的有机物在厌氧菌胞外酶的作用下,首先被分解成简单的有机物。如纤维素经水解转化为较简单的糖类;蛋白质转化为较简单的氨基酸;脂类转化成脂肪酸和甘油等。继而这些简单的有机物在产酸菌的作用下经过厌氧发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸和醇类。参与该阶段的水解发酵菌主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。（2）产氢产乙酸阶段在该阶段,产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物,如丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等转化成乙酸和氢,并有CO2产生。例如:丙酸的转化:CH3CH2COOH+2H2O一CH3COOH+3H2+CO2乙酸的转化:CH3CH2OH+H2O一CH3COOH+2H2（3）产甲烷阶段在该阶段中,产甲烷菌把第一和第二阶段产生的乙酸、氢和CO2转化为甲烷。一组是氢和C02转化为甲烷,即:4H2+CO2一CH4+2H2O另一组是乙酸脱梭转化为甲烷,即:CH3COOH一CH4+CO2厌氧发酵过程中还存在一个横向转化过程,即在产氢产乙酸菌的作用下把H2、CO2和有机基质转化为乙酸。2、四菌群理论将参与发酵的细菌根据其代谢的差异划分为4类菌群,水解发酵细菌群、产氢产乙酸细菌群、同型乙酸细菌群和产甲烷细菌群。（1）水解发酵细菌群水解发酵细菌群包括细菌、真菌和原生动物。在厌氧消化系统中,水解发酵细菌的功能主要有两个方面:(1)将大分子不溶性有机物水解成小分子的水溶性有机物,水解作用是在水解酶的催化作用下完成的。水解酶是一种胞外酶,因此水解过程是在细菌细胞的表面或周围介质中完成的。发酵细菌群中仅有一部分细菌种属具有分泌水解酶的功能,而水解产物一般可被其他发酵细菌群吸收利用;(2)发酵细菌将水解产物吸收进细胞内,经细胞内复杂的酶系统的催化转化将一部分有机物转化为代谢产物,排入细胞外的水溶液里,成为参加下一阶段生化反应的细菌群吸收利用的基质。发酵细菌群根据其代谢功能主要有:纤维素分解菌、碳水化合物分解菌、脂肪分解菌、蛋白质分解菌等。发酵细菌大多数为异养型细菌群,对环境条件的变化有较强的适应性,此外发酵细菌的世代期短,数分钟到数十分钟即可繁殖一代。（2）产氢产乙酸细菌群把第一阶段的发酵产物脂肪酸等转化为乙酸、H2、CO2等产物的一类细菌。产氢产乙酸细菌的代谢产物中有分子态氢,所以体系中氢分压的高低对代谢反应的进行起着重要的调控作用。由于各反应所需自由能不同,进行反应的难易程度也就不一样。以大气压(1大气压=101.325KPa)为单位时,当氢分压小于0.15时,乙醇即能自动进行产氢产乙酸反应,而丁酸则必须在氢分压小于2x10-3下进行,而丙酸则要求更低的氢分压9x10-5。因此,通过甲烷细菌利用分子态氢以降低氢分压对产氢产乙酸细菌的生化反应起着重要的作用。一旦甲烷细菌因受环境条件的影响而放慢对分子态氢的利用速率,其结果必然是降低产氢产乙酸细菌对丙酸、丁酸和乙醇的利用,这也说明了厌氧发酵系统一旦出现问题时,经常出现有机酸积累的原因。（3）同型产乙酸细菌群在厌氧消化系统中能产生乙酸的细菌有两类:一类是异养型厌氧细菌,能利用有机基质产生乙酸;另一类是混合营养型厌氧细菌,即能利用有机基质产生乙酸,也能利用H2和C02产生乙酸。反应如下:4H2+2CO2一CH3COOH+2H2O前者归属于发酵细菌,后者则称之为同型乙酸细菌。由于同型乙酸菌能利用氢以降低氢分压,对产氢的发酵细菌有利,同时对利用乙酸的甲烷菌也有利。（4）产甲烷细菌群甲烷菌或称为产甲烷菌是甲烷发酵阶段的主要细菌,属于绝对的厌氧菌,甲烷菌的能源和碳源物质主要有H2/C02、甲酸、甲醇、甲胺和乙酸,主要代谢产物是甲烷。甲烷菌常见的有4类:甲烷杆菌、甲烷球菌、甲烷八叠球菌、甲烷螺旋菌。甲烷菌采用二分裂殖法进行繁殖,甲烷菌生长繁殖的很慢,倍增时间长达几小时至几十小时,有的长达100多小时,而好氧细菌的倍增时间仅需数十分钟。由于甲烷菌繁殖速度很慢,故废水厌氧生物处理设备往往要求较长的投产期,为了快速启动,常需要从外部投加大量的接种物。甲烷菌生长时要求有适宜的环境条件,其中重要的有氧化还原电位、温度和pH值。1）氧化还原电位甲烷菌细胞内具有许多低氧化还原电位的酶系,当体系中氧化态物质的标准电位高和浓度大时,这些酶系统将被高电位不可逆转的氧化破坏,使甲烷菌的生长受到抑制甚至死亡。氧是厌氧发酵系统中拒绝存在的氧化态物质,很少量的氧存在即能毒害甲烷菌的生长。一般认为参与中温消化的甲烷菌要求环境中维持的氧化还原电位应低于－350mV;对参与高温消化的甲烷菌则应低于－500—－600mV2）温度根据甲烷菌对温度的适应范围,可将甲烷菌分为3类:低温菌、中温菌和高温菌。低温菌的适应范围为20—25℃,中温菌为30—45℃,高温菌为45一75℃。经鉴定,甲烷菌中,低温菌较少,大多数为中温菌,而高温菌的种类也较多。温度对甲烷菌的影响要比对产酸细菌的影响大得多,这种影响十分明显的表现在生长繁殖速度和甲烷产量两个方面。应当说明的是甲烷菌要求的最适温度范围和厌氧消化系统要求维持的最佳温度范围是不一致的。之所以存在差异原因在于厌氧消化系统是一个混合菌共生的微生物生态系统,必须满足各菌种的协调适应性,以保持最佳的生化代谢之间的平衡。如果为了满足嗜热自养甲烷杆菌,把温度升至65一70℃,则在此高温下,大部分厌氧的产酸细菌就很难正常生活。3）pH值影响表现在如下几个方面:影响菌体及酶系统的生理功能和活性;影响环境的氧化还原电位;影响基质的可利用性。大多数中温甲烷细菌的最适pH值范围约在6.8一7.2之间,但各种甲烷菌的最适合pH值也有差别,从6.0一8.5各不相同。四、水射器内循环UASB反应器试验设备与工艺简介内循环厌氧反应器:是在UASB反应器基础上发展起来的高效反应器，它实现了反应器内部的流体循环，加强了废水中有机物和颗粒污泥间的传质，使得处理同类废水时，该反应器的有机负荷达到UASB反应器的2-4倍。UASB反应器是用圆柱形有机玻璃管制成,总高2000mm,有效容积为123L,内径为280mm;器内安装有三相分离器和水射器系统。人工配制的废水置于进水箱中,与内循环回流水混合后由计量泵注入改良的UASB反应器底部,在反应器底部进水管口上方设置高度为300mm的水